医院医用气体管路的设计计算(2014).doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流医院医用气体管路的设计计算(2014)【精品文档】第 12 页 医院医用气体管路的设计计算 航空部第六0四研究所 高级工程师 袁明华关键词：Medical gas医用气体 Piping design管道设计本文根据GB50751-2012 医用气体工程技术规范、GB50333-2002 医院洁净手术部建筑技术规范、YFB001-军队医院洁净手术部建筑技术规范等现行国家标准和专业标准设计了一套医用气体管路计算用表管道最大许用流量表和管道尺寸选择表，可供医用气体工程有关人员参考。In this disquisition I bring forward a s

2、et of designed tables. They can be used for to design medical gas pipeline system in nosocomial medical zone.This paper give a reference to engineering and technical personnel .1 前言 本文所说的“医疗区域”是指门诊部、急救部、手术部、医技部、住院部、妇产科、生殖中心、牙科等直接为病人服务的场所。一个完整的医用气体供应系统一般由气源、输气管路（由管子、阀门、减压器、终端设备等组成）、监测报警装置等部分组成。其中医用氧气

3、站、医用空气站、医用真空站等出于安全和集中管理等原因往往不设置在医疗区域内，它们提供的医用气体是通过输气干管输送到各医疗区域的。各医疗区域的管路系统与输气干管相连接的总管上一般都装有区域总阀、二级减压箱和区域总压报警装置。用气量较少的氧化亚氮、二氧化碳、医用氮气、氩气、氦气等医用气体一般是由设置在医疗区域附近的气体汇流排供给的。这些气体是手术部、妇产科专用的，其使用压力可在气体汇流排内直接调定。医疗区域的管路系统由区域总阀开始，到终端设备结束。它不包括输气干管，但包括从气体汇流排到医疗区域的输气管路。医用气体管路计算包括医用氧气、氧化亚氮（笑气）、氩气、医用氮气、医用空气、二氧化碳、医用真空和

4、麻醉废气排放管路的计算。计算的内容包括两个方面：（1） .在已知气体种类、压力、流量的情况下，求所需要的管径；（2） .在已知气体种类、压力、管径的情况下，求管子允许的最大流量。 本文详细介绍了管道最大设计流量表和管道尺寸选择表的编制方法以及它们在医用气体管路计算中的运用。2 设计假定2.1 设计压力计算管子内径时，正压气体取气体终端处的额定压力；真空管道取管道内的平均压力。例如真空泵抽气口处绝对压力为0.04MPa（即真空压力为0.06MPa），吸引终端处绝对压力为0.06MPa（即真空压力为0.04MPa）, 则 P =0.05MPa。对采用抽风机排放麻醉废气的系统，排气管内的气体压力为负

5、压，抽风机处的气体压力最低。麻醉废气排放终端处的绝对压力应为0.085MPa（即真空压力为0.015MPa），麻醉废气排放终端本身造成的负压损失见表1，排气管路造成的负压损失若为0.013MPa，则抽风机进口处的绝对压力不应高于P=0.085-0.002-0.013=0.07MPa。计算时排气管内的气体压力取中值： P=(0.085+0.07)/2=0.0775MPa。 麻醉或呼吸废气排放系统终端在设计流量下的压力损失 表1麻醉或呼吸废气排放系统设计流量（L/min）允许真空压力损失（MPa）高流量排放系统800.001500.002低流量排放系统500.001250.002 对采用引射式麻醉

6、废气排放终端的系统，引射器后排气管内的混合气体应为正压。为保证废气能顺利排入大气，排气管出口处绝对压力不应小于P=0.105MPa。 计算管子壁厚时，正压气体管道取安全阀的开启压力；真空管道取外压0.1MPa。 2.2 设计流量GB50751医用气体工程技术规范规定的终端组件处的额定压力和设计流量见表2；GB50333医院洁净手术部建筑技术规范规定的终端压力和单嘴流量见表3。 医用气体终端组件处的设计参数 表2医 用 气 体 种 类终端压力（表压，MPa）终端组件的设计流量（L/min）医 用 氧 气0.4手术室、笑气麻醉点100牙科及其它10氧 化 亚 氮0.4全部15医 疗 空 气0.4手

7、术室20重症、高护、新生儿病房60其它病房、床位10牙 科 空 气0.5550器械空气、医用氮气0.8全部350二 氧 化 碳0.4全部20医 用 真 空-0.04大手术80小手术、病房、床位40牙 科 真 空-0.015300氧化亚氮/氧气混合气0.4（0.35）待产、分娩、恢复、产后275牙科及其它20二氧化碳/氧气混合气0.4（0.35）全部20医用氦/氧混合气0.4（0.35）重症病房100 麻醉或呼吸废气排放-0.015全部5080 注：1. 上表中气体压力允许的最大偏差为：MPa；MPa；MPa； 2. 在使用现场配制混合气时，与氧气混合的其它气体的压力应低于氧气压力0.050.0

8、8MPa， 这些气体的终端压力应为0.35MPa。 终端压力和单嘴流量 表3气 体 种 类单 嘴 压 力 （MPa）单 嘴 流 量 （L/min）同时使用率（%）氧 气0.400.45108050100氧化亚氮0.400.45450100压缩空气0.450.96080负压吸引-0.03-0.0730100氩 气0.350.401580二氧化碳0.350.401030氮 气0.90.952301060 治疗区域的专用气源、区域总管、支管按公式(3.1)计算气体流量： Q = Qa+Qb(n-1) -（2.1）式中： Q 气源、气体总管、支管的计算流量（L/min); Qa 终端处的额定流量（L/

9、min)，按GB50751附录B取值; Qb 终端处的计算平均流量（L/min)，按GB50751附录B取值; n 由该气源、该总管、该支管供气的床位数或计算单元数; 同时使用系数，按GB50751附录B取值。2.3 设计温度医疗区域的气体管路一般在吊顶、夹层里走，没有空调。所以管道内气体的设计温度取35（夏天）。2.4 流速限制根据GB50333医院洁净手术部建筑技术规范规定，管内气体流速不得大于10 m/s。2.5允许的压力损失GB50751规定：医用气体管路系统在终端设计压力、流量下的压力损失应符合表4的规定。 医用气体管路系统在终端设计压力、流量下的压力损失 表4气体种类医用氧气、医疗

10、空气、氧化亚氮、二氧化碳与氧气在使用处混合的医用气体器械空气、氮气医用真空设计流量下的终端压力（MPa）0.40.50.310.390.71.0-0.04-0.087气源或减压箱出口压力（MPa）0.40.50.360.450.751.0-0.06-0.087设计允许压力损失 （MPa）0.050.050.050.2-0.013-0.02 YY/T0187医用中心供氧系统通用技术条件规定：“在使用流量条件下，最远管道的压力损失不应超过10%。”YFB001军队医院洁净手术部建筑技术规范的规定见表5。 标准压力和允许压力损失 表5气体名称标准压力P（MPa）允许压力损失最大长度（MPa）单位长度

11、（Pa/m）氧 气0.50.05（或10%P）230二氧化碳0.50.05（或10%P）230氮 气1.00.05（或10%P）230压缩空气0.50.05（或10%P）230真空吸引-0.050.005（或10%P）80美国实用管道工程设计准则规定：氧气、二氧化碳及压缩空气管路单位长度的压力损失不超过230Pa/m；氮气管路单位长度的压力损失不超过460Pa/m；负压吸引管路单位长度的压力损失不超过110Pa/m。对于正压气体管路，最大计算长度Lmax上的压力损失若控制在0.05MPa（对器械空气和氮气为0.1MPa），单位长度的压力损失若控制在230Pa/m（对器械空气和氮气为460Pa/

12、m），则管路的最大计算长度可达到217m。对于医用真空管路，最大负压损失若控制在0.013MPa，单位长度的负压损失若控制在60Pa/m，则管路的最大计算长度也可达到217m。 对于负压废气排放管路，最大负压损失若控制在0.013Mpa（此外，抽风机提供的负压还要克服麻醉废气排放终端造成的负压损失），单位长度的负压损失若控制在60Pa/m，则管路的最大计算长度也可达到217m。 这里所谓的“计算长度”是指一条管路中管子的总长度和该管路中管件、阀门的当量长度之和。最大计算长度是指同一种气体的管路，从医疗区域总阀起到气体终端止的各条管路中流程最长的一条管路的计算长度。管件、阀门的当量长度见表6。

13、管件、阀门的当量长度（m） 表6 管 径DN6DN10DN13DN16DN20DN25DN30DN40DN5090弯头0.350.450.60.70.750.91.21.52.145弯头0.180.220.30.350.380.450.60.751三 通0.50.70.911.21.51.82.13引 出 口0.880.10.120.130.150.180.240.30.39截 止 阀2.53.54.55.267.510.513.516.53 设计计算医院手术部的管路最大计算长度Lmax一般不会超过217m，故可按以下条件进行计算：（1）.在管道最大计算长度Lmax不大于217m的情况下，确保

14、正压气体管道单位长度的压力损失不大于230Pa/m；负压吸引管道单位长度的阻力损失不大于60Pa/m 。 （2）.确保管内气体流速不大于10 m/s； （3）.忽略管道高差造成的压力损失。3.1 管路计算的公式（公式推导见参考资料11） Pi = Q01.75 / （d4.75 P） -（3.1）d = k Q00.37/ P0.21 -（3.2） Q0 = P0.57d2.71 -（3.3）式中： Pi 每米管长的压力损失（Pa/m）； P 取气体终端处气体的绝对压力（MPa）； d 管道内径（mm）； Q0 0时一大气压气体的流量（L/min）。式中的系数 = 42854.90.2500.

15、75 ； k = 9.4440.0500.16/Pi0.21； = 0.002255Pi0.57/(0.1400.43) 。其中： 气体在设计温度下的动力黏度（kgfs/m2）； 0 0时一大气压气体的重度（kgf/m3）；由AP1700物质物性计算查询平台可查得各种气体在35、设计压力下的动力粘度值。对一种确定的气体，和0都是常数。当Pi设定之后，、和k也就成了常数，见表7、表8和表9。 k值 表7气 体 种 类 Pi = 230 Pa/m 时Pi = 460 Pa/m 时氧 气1.6041.387氧 化 亚 氮1.6571.432医 疗 空 气1.5661.354牙 科 空 气1.5671

16、.354器 械 空 气1.5671.354引 射 排 废 气1.5661.354氮 气1.5551.344氩 气1.6651.439氦 气 1.150.994二 氧 化 碳1.6571.432 值和值 表8气体种类*106（kgf.s/m2）0（kgf/m3）氧气2.2621.4292172.21366.9氧化亚氮1.5721.97825312722.4医疗空气1.941.2931939.31442.4牙科空气1.9421.2931939.81440.7器械空气1.9461.2931940.81437.8引射排废气1.9341.2931937.81446.9氮气1.8721.2511875.2

17、1445.8氩气2.3771.7812594.21621.3氦气2.0710.179446.62186.6二氧化碳1.5751.9772531.12716.8医用真空1.9331.2931937.61447.3牙科真空1.9341.2931937.71447真空抽废气1.9341.2931937.71447 值 表9气体种类 Pi = 230 Pa/m 时Pi = 460 Pa/m 时氧 气0.2270.412氧化亚氮0.2540.377医用空气0.2960.439牙科空气0.2960.439器械空气0.2960.439引射排废气0.2960.44氮 气0.3010.448氩 气0.2500.

18、372氦 气0.6841.017二氧化碳0.2540.3773.2 验算3.2.1 验算雷诺数 上述公式使用的前提是雷诺数Re在106以下，雷诺数的计算公式为： Re =4Q/（gd） -（3.4）式中： 管道内气体的重度（kgf/m3）； Q 通过管段的气体体积流量（m3/s）； d 管道内径（m）； 气体在设计温度下的动力黏度（kgfs/m2）。当取压缩气体的设计温度为35时，根据理想气体状态方程可算得： = 8.8636 P0 ； Q = 0.1128 Q0/P 代入上式得： Re =0.1298340 Q0/（d）式中： 0 0时一大气压气体的重度（kgf/m3）； Q0 0时一大气压

19、气体的流量（m3/s）； d 管道内径（m）； 气体在设计温度下的动力黏度（kgfs/m2）。 将Q0的单位由m3/s 换成L/min（1L/min = 0.000017m3/s），d的单位由（m）改为mm,则 Re =0.00216390 Q0/（d） 或 Re =Q0/d -（3.5）式中： =0.00216390/,见表8。 0 0时一大气压气体的重度（kgf/m3）； Q0 0时一大气压气体的流量（L/min）； d 管道内径（mm）。 当知道气体种类、流量和管径后，可按3.5式计算出管内气体流动的雷诺数，Re不能大于106。3.2.2 验算流速 管道内气体的流速V不应大于10 m/s

20、。 V = 4Q/（d2） 式中： V 管道内气体的流速（m/s）； Q 通过管段的气体体积流量（m3/s）； d 管道内径（m）。因 Q = Q0P0T/（PT0），当T = 35=308K；T0 =273K；P0 =0.1MPa时， V = 0.1436475 Q0/（Pd2）将Q0的单位由m3/s 换成L/min（1L/min = 0.000017m3/s），d的单位由（m）改为（mm），则 V = 2.394 Q0/（Pd2） -（3.6）式中： V 管道内气体的流速（m/s）； Q0 0时一大气压气体的流量（L/min）；d 管道内径（mm）； P 计算截面上气体的绝对压力（MPa）

21、。当知道气体的流量、压力和管径后，可通过3.6式计算出管内气体的流速，V不应大于10 m。3.3 已知气体种类、压力和流量，求管径3.3.1 受阻力损失限制的管径首先根据管路最大计算长度上允许的压力损失计算出单位管长允许的压力损失Pi （Pa/m），再算出3.2式的系数k,便可利用3.2式算出管径。式中的k值也可从表7中选取。对于负压系统（包括医用真空系统和真空泵麻醉废气排放系统），如果气体的主要成分为空气，若将最大负压损失控制在0.013 MPa以内，并取 Pi = 60Pa/m。则d 2.077 Q00.37/ P 0.21 -（3.7）式中： Q0 0时一大气压气体的流量（L/min）；

22、 P 管道内气体绝对压力的平均值（MPa）。医用真空系统和负压麻醉废气排放系统如允许Pi = 110Pa/m，则 d 1.829 Q00.37/ P 0.21 -（3.8） 3.3.2 受最大流速限制的管径当T = 35，管内气体流速 V = 10 m/s 时： d = （0.24 Q0/ P）0.5 -（3.9）式中： d 管道内径（mm）； Q0 0时一大气压气体的流量（L/min）； P 计算截面上气体的绝对压力（MPa）。当气体种类、流量和绝对压力确定之后，可由（3.2）式、（3.7）式和（3.8）式计算管道内径d ，同时按（3.5）式和（3.6）式分别计算对应的雷诺数Re和流速V,当

23、V10时改用（3.9）式计算道内径d 。3.3.3 管子壁厚的计算医用气体一般在常温下工作，管子设计壁厚t 按下式计算： t = tS + C1 + C2 + C3 式中： tS 计算厚度（mm）。它是管子承受内压所需的壁厚。 C1 管材壁厚负偏差（mm）； C2 腐蚀裕量（mm）； C3 工艺减薄量（mm）。(1).管子承受内压所需的壁厚（tS）医用气体是低压气体，一般tS/D 1/6，此时tS的计算公式为： tS = PD/（2+0.8P） 式中： P 设计压力（MPa）； D 管子外径（mm）； 管材在设计温度下的许用应力（MPa）； 焊缝系数。设计压力一般应取安全阀的开启压力。安全阀的

24、开启压力取为管内气体最高工作压力的1.1倍。医用气体管道材料的许用应力见表10。 管道材料在常温下的许用应力 表10管 道 材 料b （MPa）安全系数（MPa）镀锌焊接钢管3353112不锈钢5204137TP2M （软态）2057.6541.2TP2Y2 （半硬态）250550TP2Y （硬态）3153.2563焊缝系数：无缝管取= 1 ；直缝焊接管取= 0.8 ；螺旋缝焊接管取= 0.6。(2).管材的壁厚负偏差 无缝管材的壁厚负偏差C1 见表11。(3).腐蚀裕量 纯铜管在大气中和纯净医用气体中的年腐蚀速度很小（0.05mm）； 不锈钢： C2 = 0； 无缝管材的壁厚负偏差C1 表1

25、1品 种壁厚t（mm）普通级偏差（% t）较高级偏差（% t）镀锌焊接钢管26-12.5冷拔不锈钢管33-14-10-10-10热轧不锈钢管15-12.5-12.5流体输送铜管0.66-10(4).工艺减薄量 .当管子的弯曲半径R符合表12规定并R3.5D时，可不考虑弯曲工艺减薄量。即光管的C3 = 0。.当管子上车有螺纹时，C3 即为螺纹深度。常用管螺纹尺寸见表13。 管子的弯曲半径 表12弯曲前管子的壁厚弯曲半径R1.06tR6DN1.08t6DNR5DN1.14t5DNR4DN1.25t4DNR3DN 注:DN 公称直径 管子、管件、阀门的公称直径系列 表13公称直径DN（mm）管螺纹尺

26、寸公称直径DN（mm）管螺纹尺寸公称直径DN（mm）管螺纹尺寸公称直径DN（mm）管螺纹尺寸6151/2321 1/4652 1/281/4203/4401 1/2803103/82515021004（5）.管子承受外压所需要的壁厚 根据Bresse-Bryan公式，当管长远大于管子外径，波形数取n = 2时，管子的失稳临界外压为： Pcr = 2.19E（T/2R0）3 式中： E 材料的弹性模量（MPa）； T 管壁的有效厚度（名义厚度扣除厚度C1、C2、C3），（mm）； R0 管子的外半径（mm）。取失稳安全系数m = 3时，管子的外压P应满足：P Pcr/3 的要求。由此可得负压吸引

27、管的最小壁厚计算公式： T =D -（3.10） 式中： （1.37P/E）0.33； D 管子的外径（mm）。当取管子的外压P = 0.1Mpa，温度为20时，系数见表14。由表16可知，估算时可取 = 0.011，即（3.10）式可简化为： T =0.011D 式中：D 管子的外径（mm）。 系数 表14管子材料E（MPa）碳钢1921030.00894不锈钢1951030.00889纯铜1101030.01076【管子壁厚计算示例】 TP2Y2铜管壁厚（mm） 表15铜 管 外 径设计压力：0.55MPa设计压力：1.1MPa设计厚度计算厚度负偏差腐蚀余量设计厚度计算厚度负偏差腐蚀余量8

28、1.00.0440.100.8561.00.0870.100.813101.00.0550.100.8451.00.1090.100.791121.00.0660.100.8341.20.1310.120.949161.00.0880.100.8121.20.1740.120.906221.20.1200.120.9601.20.240.120.840281.20.1530.120.9271.50.3050.151.045351.20.1920.120.8881.50.3820.150.968441.20.2410.120.8391.50.4800.150.870551.50.3010.151

29、.0492.00.6000.201.200701.50.3830.150.9672.00.7630.201.037851.50.4650.150.8852.00.9270.200.8731052.50.5750.251.6752.51.1450.251.105 不锈钢管壁厚（mm） 表16 不锈钢管外径设计压力：0.55MPa设计压力：1.1MPa设计厚度计算厚度负偏差设计余量设计厚度计算厚度负偏差设计余量81.00.0160.100.8841.00.0320.100.868101.00.0200.100.8801.00.0400.100.860121.00.0240.100.8761.00.

30、0480.100.852140.60.0280.060.5120.60.0560.060.484200.60.0400.060.5000.60.0800.060.460260.80.0520.080.6680.80.1040.080.616351.00.0700.100.8301.00.1400.100.760401.00.0800.100.8201.00.1600.100.740501.00.1000.100.8001.00.2000.100.700671.20.1300.120.9501.20.2680.120.812761.50.1520.151.1981.50.3040.151.046

31、1021.50.2040.151.1461.50.4080.150.9423.3.4 管子尺寸的规格化 计算出所需的管子内径d和设计壁厚t后，应将它们调整为市场供应的管子规格。需要用管件连接的管子，其直径还要调整到公称直径系列中来。管道直径之所以要选择表17的优先数值，是因为它们是与管件、阀门的规格相配套的。医用气体系统常用的管子品种、规格见表18、表19和表20。铜管通径的优先选用系列 表17通径铜管外径通径铜管外径通径铜管外径通径铜管外径DN68DN1516DN3235DN6570DN810DN2022DN4044DN8085DN1012DN2528DN5055DN100105 常用铜管和

32、不锈钢管的规格和内径（mm） 表18公称外径无 氧 铜 管薄 壁 不 锈 钢 管规 格内 径规 格内 径插接用管内 径对接用管内径DN6816816816816DN810181018101 81018DN1012110121.29.61211012110DN1516114161.213.6140.612.8181.515DN20221.219.6221.219.6200.618.8251.522DN25281.225.6281.525260.824.4321.529DN32351.232.6351.53235133381.535DN40441.241.6441.54140138451.542DN50551.5525525150148571.554DN65701.56770266671.264.6762.571DN80851.58285281761.573892.584DN1001052.51001052.51001021.5991083.5101 常用镀锌钢管规格尺寸 表19 常用PVC-U管规格尺寸 表20通 径外 径壁 厚内 径每米重规 格外 径壁 厚内 径mmmmmmmmkg / mmmmmmmmmDN610.226.20.430DN813.52.58.50.7